一种铜基气凝胶增强型铜合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜基气凝胶增强型铜合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。该铜基气凝胶增强型铜合金的质量百分比组成为：锌：0.5％～10％，二氧化硅：2％～8％，余量为铜。制备步骤为：配料、球磨、混料、冷压成型、加压烧结及成品。本发明专利技术所制备的铜基复合材料抗拉强度高于300MPa，屈服强度和常用的铜基三氧化二铝复合材料相当，磨损率低于1×10

【技术实现步骤摘要】
一种铜基气凝胶增强型铜合金及其制备方法
本专利技术涉及金属材料及其制备
，具体是涉及一种铜基气凝胶增强型铜合金及其制备方法。
技术介绍
铜合金由于其良好的导电、导热性、耐腐蚀和耐磨性能，被用作集成电路、交通、航天、航空、船舶等众多领域内工程机械的导电导热零部件、刹车及制动装置。国内外对高温下应用的铜基复合材料的研究由来已久，并已形成了铜基复合氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等工业化系列产品。随着设备向高速、重载方向发展，对铜基摩擦材料的耐磨性和耐热性提出了更高要求。铜基复合材料的研究结果表明：采用纳米Al2O3、纳米ZrO2等纳米级氧化物作为弥散增强相制备出的铜基纳米复合材料，利用颗粒增强技术在软韧的Cu基体中形成弥散分布的硬质点来提高材料的强度、耐磨性，同时能够保持铜本身高导热性能，提高抗高温软化特性，达到导电和强度、耐磨性能综合提高的效果，具有其它强化方法无法比拟的优点。因此，将纳米氧化物材料应用于铜基耐磨材料，为改善耐磨材料的摩擦学性能提供了新途径。根据国内外资料，目前研究较多的是Cu/Al2O3复合材料。纳米SiO2(n-SiO2)由于其特殊的结构且具有质量轻、耐磨、耐高温、耐腐蚀及热膨胀系数小等特性，其导热、导电性能尽管有所下降，但仍保持在较高的水平，并且其价格仅为纳米Al2O3的一半。然而，由于n-SiO2极易团聚，在铜基体中不易均匀分散，导致制备出的SiO2增强铜基复合材料性能与Cu/Al2O3复合材料相比并无优势，因此将n-SiO2作为增强相用于铜基体的研究还不多见。近年来，铜基复合材料作为耐磨零件被越来越多地应用在各个领域。因此，研发出一种在高温环境下使用的具有较高强度、高耐磨性、低成本的铜基二氧化硅复合材料，使之应用于航空航天、汽车等领域高温环境用制动零部件的制造，对提高产品质量及设备使用寿命等均有重大的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个问题是提供一种具有优异力学性能、耐磨耐热性能、高导电的铜基气凝胶增强基铜合金材料，使之用于航空航天、车辆交通、微电子等行业领域。本专利技术所要解决的第二个问题是提供一种具有优异力学性能、耐磨耐热性能、高导电铜基气凝胶增强基铜合金的制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种铜基气凝胶增强型铜合金，即一种纳米气凝胶(SiO2)增强铜基复合材料，其质量百分比组成为：锌：0.5％～30％，气凝胶(SiO2)：2％～8％，余量为铜。作为本专利技术的进一步方案，所述的铜基气凝胶增强型铜合金的质量百分比组成为：锌：1％～5％，气凝胶(SiO2)：3％～6％，余量为铜。其中，不可避免的杂质的质量百分比≤0.1％。以上各组分元素在复合材料中所起的作用如下：锌：固溶强化型铜合金元素，可以提高铜合金材料的力学性能，其固溶体β相具有硬度高，韧性好的特点，可以显著提高铜合金的耐磨性能。气凝胶(SiO2)：对铜基复合材料具有提高耐磨性、硬度以及抗粘结的作用。同时由于其纳米效应可有效阻碍位错运动和晶界滑移，具有显著提高基体强度的作用；另一方面，弥散分布的气凝胶第二相由于减少对电子散射的阻碍从而对铜合金材料的导电性能有促进作用。本专利技术铜基气凝胶增强型铜合金的制备方法，主要包括原料混合、冷压成形、最后加压烧结的工艺，具体步骤包括：铜基二氧化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：配比称取粉末，将铜粉和纳米二氧化硅预先在行星式高能球磨机中球磨，之后将所有原料置于小型V型混料机中混合均匀，然后在钢模中将粉末压制成密度为4～5g/cm3的坯块；最后将压坯在钟罩炉中烧结。本专利技术中，以电解铜、雾化锌粉、微米级二氧化硅和纳米二氧化硅为原料。所使用原材料的质量如下：电解铜粉平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt％；雾化锌粉的平均粒度为40～50μm，纯度≥98wt％；微米级SiO2平均粒度为40～50μm，水分含量≤1wt％；纳米SiO2平均粒径为20～40nm。首先，将铜粉和纳米二氧化硅在行星式高能球磨机中球磨2～4h，然后与其他原料一起在V型混料机中再混合3～5h；将压坯在钟罩炉中烧结时，烧结压力为1.0～4.0MPa，烧结温度为800～1000℃，平均升温速率为4～7℃/min，在烧结过程中采用氢气还原性保护气氛，烧结时间为20～40min，最后保护性气氛下炉冷却至室温，制成成品。本专利技术铜基气凝胶增强型铜合金的抗拉强度300～500MPa，屈服强度为200～300MPa，伸长率为5～15％，动摩擦系数是0.054～0.080，静摩擦系数0.12～0.15，磨损率0.3～1.0×10-9cm3·J-1，耐热系数35000～50000，相对耐热性1.0～1.5，密度5.5～8g·cm3，电阻率1.8～2.8×10-8Ω·m，硬度50～85Hv。与铜基三氧化二铝复合材料相比，本专利技术所制备的铜基气凝胶增强型铜合金的拉伸力学性能相当，而导热性能、耐磨性能较好，同时成本更低。一种基于所述的铜基气凝胶增强型铜合金在制备制动零部件产品中的用途。综上所述，本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：(1)本专利技术通过添加微米级二氧化硅、纳米态二氧化硅提高合金的力学性能、耐磨性能及耐热性能；锌的加入可以提高耐磨性能，加速基体致密化过程；游离态的硬质纳米颗粒在摩擦过程中可分布于摩擦副之间，起到“滚珠效应”，降低摩擦因数和磨损率。当SiO2颗粒均匀地分布于铜基摩擦材料的基体中，可有效地阻碍位错运动和晶界滑移，提高基体的强度和耐热性。本专利技术所设计的铜基气凝胶增强型铜合金具有良好的加工性能，与铜基三氧化二铝复合材料相比，其耐热和耐磨性更好。(2)本专利技术通过预先高能球磨，使纳米二氧化硅在铜基体中均匀分散，达到提高复合材料综合性能的目的。(3)本专利技术所制备的铜基气凝胶增强型铜合金，成本更低。为更清楚地阐述本专利技术的结构特征和功效，下面结合具体实施例来对本专利技术进行详细说明。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。本专利技术铜基气凝胶增强型铜合金的制备方法，制备步骤为：配料、高能球磨、混料、冷压成型、加压烧结及成品。其具体工艺步骤包括：(1)高能球磨：将称量好的电解铜粉(平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt％)、纳米级SiO2(平均粒径为20～40nm)置于行星式高能球磨机中预先球磨2～4h。(2)原料混合：将球磨后的铜-纳米SiO2混合粉、雾化锌粉(平均粒度为40～50μm，纯度≥98wt％)、微米级SiO2(平均粒度为40～50μm，水分含量≤1wt％)置于小型V型混料机中混合3～5h；实施例中所采用原料的质量同上。(2)冷压成形：在Ф26mm×6.5mm的钢模中将粉末压制成密度为4～5g/cm3的坯块；(3)加压烧结：将压坯在钟罩炉中于1.0～4.0MPa压力下烧结，烧结温度为800～1000℃，平均升温速率为4～7℃/min，在烧结过程中采用氢气还原性保护气氛，烧结时间为20～40min，最后保护性气氛下炉冷却至室温，制成成品。实施例1其生产工艺流程方法如下：配料、球磨、混料、冷压成型、加压烧结及成品。具体过程为：按表1所示成分配料：锌：5％，气凝胶(SiO2)：5％，余量为铜。将铜和纳米SiO2混合粉在高能球磨机中球磨3h，之后与其他原料置于小型V型混料机中混合3h；在的钢模中将粉末本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜基气凝胶增强型铜合金，其特征在于：其质量百分比组成为：锌：0.5％～10％，二氧化硅：2％～8％，余量为铜。

【技术特征摘要】
1.一种铜基气凝胶增强型铜合金，其特征在于：其质量百分比组成为：锌：0.5％～10％，二氧化硅：2％～8％，余量为铜。2.根据权利要求1所述的铜基气凝胶增强型铜合金，其特征在于，复合材料的质量百分比组成为：锌：1％～5％，二氧化硅：3％～6％，余量为铜。3.根据权利要求2所述的铜基气凝胶增强型铜合金，其特征在于，所述铜合金材料还包含杂质，杂质的质量百分比≤0.1％。4.一种如权利要求1-3中任一所述的铜基气凝胶增强型铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：配比称取粉末，将铜和纳米二氧化硅混合粉预先在行星式高能球磨机中球磨，然后与其他原料一起置于V型混料机中混合均匀，然后在钢模中将粉末压制成密度为4～5g/cm3的坯块；最后将压坯在钟罩炉中烧结。5.根据权利要求4所述的铜基气凝胶增强型铜合金的制备方法，其特征在于，以电解铜、雾化锌粉、微米级二氧化硅和纳米二氧化硅为原料。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：李光武，王强松，王朝辉，杨书瑜，胡保军，
申请(专利权)人：北京弘微纳金科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11